Расчет внецетренно сжатой колонны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Сварка металлов является одним из выдающихся русских изобретений и впервые была освоена в нашей стране, которая является родиной многих важных открытий в области науки и техники.

В 1802 г. русский академик Василий Владимирович Петров обратил внимание на то, что при пропускании электрического тока через два стержня из угля или металла между их концами возникает ослепительно горящая дуга (электрический разряд), имеющая очень высокую температуру. Он изучил и описал это явление, а также указал на возможность использования тепла электрической Дуги для расплавления металлов и тем заложил основы дуговой сварки металлов.

Автором метода дуговой сварки плавящимся металлическим электродом, наиболее распространенного в настоящее время, является Н. Г. Славянов, разработавший его в 1888 г.

Н.Г. Славянов не только изобрел дуговую сварку металлическим электродом, описал ее в своих статьях, книгах и запатентовал в различных странах мира, но и сам широко внедрял ее в практику. С помощью обученного им коллектива рабочих-сварщиков Н. Г. Славянов дуговой сваркой исправлял брак литья и восстанавливал детали паровых машин и различного крупного оборудования. Н. Г. Славянов создал первый сварочный генератор и автоматический регулятор длины сварочной дуги, разработал флюсы для повышения качества наплавленного металла при сварке. Созданные Н. Н. Бенардосом и Н. Г. Славяновым способы сварки явились основой современных методов электрической сварки металлов.

Однако наибольшее развитие наука о сварке и техника применяемых в настоящее время передовых методов сварки получили в нашей стране благодаря трудам многих советских ученых, инженеров и рабочих-новаторов сварочного производства. Ими создано большое количество типов сварочного оборудования, марок электродов, разработаны новые прогрессивные сварочные процессы, в том числе высокомеханизированные и автоматизированные, освоена техника сварки многих металлов и сплавов, глубоко и всесторонне разработана теория сварочных процессов.

В последние годы сварка повсеместно вытеснила способ неразъемного соединения деталей с помощью заклепок.

Сейчас сварка является основным способом соединения деталей при изготовлении металлоконструкций. Широко применяется сварка в комплексе с литьем, штамповкой и специальным прокатом отдельных элементов заготовок изделий, почти полностью вытеснив сложные и дорогие цельнолитые и цельноштампованные заготовки.

Сварка обеспечивает ряд преимуществ, основные из которых приводятся ниже:

1. Экономия металла вследствие наиболее полного использования рабочих сечений элементов сварных конструкций, придания им наиболее целесообразной формы в соответствии с действующими нагрузками и уменьшения веса соединительных элементов. В сварных конструкциях вес металла сварных швов обычно составляет от 1 до 2°/0, в то время как в клепаных вес заклепок и косынок--не менее 4% от веса изделия. Сварка дает до 25°/0 экономии металла по сравнению с клепкой, а по сравнению с литьем в отдельных случаях -- до 50°/0.

Использование сварки на строительстве зданий позволяет уменьшить вес стальных конструкций на 15%, облегчает изготовление и увеличивает жесткость всей конструкции. При сооружении доменных печей применение сварки вместо клепки позволяет экономить от 12 до 15% металла, в конструкциях стропильных ферм-- Ю--20%, в конструкциях подъемных кранов--15--20%.

1. Сокращение сроков работ и уменьшение стоимости изготовления конструкций за счет снижения расхода металла и уменьшения трудоемкости работ. Так, например, при постройке крупных доменных печей на металлургических заводах изготовление кожуха печи из стальных листов с помощью сварки осуществляется менее чем за два месяца. Выполнение такого кожуха с помощью клепки требует не менее полугода.

2. Возможность изготовления сварных изделий сложной формы из штампованных элементов взамен ковки или литья. Такие конструкции называются штампосварными и широко применяются в автомобилестроении, самолетостроении, вагоностроении. С помощью сварки можно изготовлять детали из металла, прошедшего различную предварительную обработку, например сваривать прокатанные профили со штампованными, литыми или коваными заготовками. Можно сваривать и разнородные металлы: нержавеющие стали с углеродистыми, медь со сталью и др.

3. Возможность широкого использования сварки и резки при ремонте, где эти способы обработки металла позволяют быстро и с наименьшими затратами восстанавливать изношенное или вышедшее из строя оборудование и разрушенные сооружения.

4. Удешевление технологического оборудования, так как отпадает необходимость в использовании дорогих сверлильных, дыропробивных станков и клепальных машин.

5. Герметичность получаемых сварных соединений.

6. Уменьшение производственного шума и улучшение условий труда рабочих.

Сваркой можно получить сварное соединение прочностью выше основного металла. Поэтому сварку широко применяют при изготовлении весьма ответственных конструкций, работающих при высоких давлениях и температурах, а также при динамических (ударных) нагрузках -паровых котлов высокого давления, мостов, самолетов, гидросооружений, арматуры железобетонных конструкций и др.

1. Описание конструкции и условий эксплуатации

Колонной называют вертикальный элемент, передающий нагрузку от вышележащих конструкций (балок, ферм, и т.п.) на фундамент.

В колоннах различают три основные конструктивные части:

Верхнюю - оголовок, воспринимающий нагрузку; среднюю- стержень, несущий нагрузку; нижнюю - базу, передающую давление колонны на фундамент.

В зависимости от схемы нагружения различают центрально - сжатые, внецентренно-сжатые и сжато-изогнутые колонны. В центрально - сжатых колоннах нагрузка прикладывается по оси стержня или симметрично относительно нее. Вследствие этого в поперечных сечениях возникает единственное усилие - продольная сила N.

2. Выбор и обоснование металла сварной конструкции

Металлические колонны, как правило, изготавливают из стали. Применение алюминиевых сплавов в сжатых элементах нерационально из-за низкого модуля упругости Е. По этой причине алюминиевые колонны проектируют в исключительных случаях: в сборно-разборных конструкциях, при наличии агрессивной среды и т.д.

По конструктивному решению стержни колонны подразделяют на сплошные и сквозные. В первом случае имеются, по меньшей мере, две главные центральные оси: х-х, у-у, которые пересекают сечение (так называемые материальные оси), во втором - хотя бы одна главная центральная ось не пересекает сечение (свободная ось)

В зависимости от нагрузки и высоты колонны применяют различные типы поперечных сечений стержня. Работа на сжатие требует не только прочности, но и устойчивости колонны. Поэтому при выборе сечения стержня в целях экономии материала стремятся к равно устойчивости колонны в главных плоскостях.

Сплошные сварные центрально-сжатые колонны могут иметь сечения. Наиболее распространенные двутавровые колонны из трех прокатных листов, которые достаточно экономичны по расходу металла и технологичны в изготовлении благодаря применению автоматической сварки.

Равно устойчивым и простым в изготовлении является крестовое сечение, которое может быть получено из двух прокатных уголков или трех листов. Однако при колоннах крестового сечения затруднительно крепление балок. Равно устойчивы и трубчатые колонны, имеющие одинаковую жесткость по всем направлениям, которые экономичны по расходу металла, но редко применяются из-за конструктивных неудобств и высокой стоимости. сварка металлоконструкция колонна

Сечение стержня может быть спроектировано с полками швеллеров, обращенных внутрь или наружу. Стержень с открытым профилем, когда полки швеллеров развернуты наружу, менее трудоемок в изготовлении, обладает большей жесткостью по оси у-у, доступен для автоматической и ручной сварки, хотя сечение получается компактным.

С увеличением высоты колонн размеры их поперечного сечения также растут и более экономичными по расходу металла становятся сквозные колонны. Стержень сквозной колонны состоит из двух или более ветвей, связанных между собой решеткой. Равноустойчивость достигается раздвижнкой ветвей на требуемое расстояние.

Наиболее распространены двухветвевые центрально-сжатые колонны, составленные из швеллеров или при больших нагрузках из двутавров. Швеллеры выгоднее ориентировать полками внутрь, так как в этом случае решетка окажется меньшей ширины.

Четырехветвевое сечение из уголков применяют в слабонагруженных высоких колоннах, т.е. когда при малой площади сечения ветвей необходимо обеспечить значительную жесткость стержня.

Более просты в изготовлении сквозные колонны с безраскосной решеткой в виде соединительных планок. Однако при значительных нагрузках и габаритных размерах сечения такая конструкция становится недостаточно жесткой вследствие деформативности планок и самих ветвей.

Внецентренно сжатые колонны

Внецентренно сжатой колонной считается колонна, в расчетном сечении которой действуют продольная сила N и изгибающий момент М. Такие колонны широко применяют в каркасах производственных зданий (с крановыми нагрузками и без них).

В зависимости от конструктивного решения стержня различают три типа внецентренно сжатых колонн производственных зданий:

постоянного по высоте сечения с консолью для подкрановой балки, применяемые при высоте до нижнего пояса фермы не более 12 м, и грузоподъемностью мостовых кранов не более 20 т;

переменного по высоте сечения ступенчаты, сплошные и сквозные широко применяемые в каркасах промышленных зданий при большей градации грузоподъемности мостовых кранов (более 20 т).

Верхнюю (надкрановую) часть этих колонн выполняют в виде сплошного двутаврового сечения. Нижняя часть колонн, состоящая из шатровой и подкрановой ветвей, имеет связь между ветвями в виде сплошного листа или в виде сквозной решетки из уголков;

раздельного типа, применяемые в цехах с тяжелым режимом работы при грузоподъемности кранов более 150 т и сравнительно небольшой высоте (до 20 м).

В таких колоннах ветви нежестко связаны между собой гибкими в вертикальной плоскости планками.

В результате каждая из ветвей выполняет самостоятельную функцию: основная шатровая ветвь работает в системе поперечной рамы, воспринимая нагрузку от покрытия, стенового ограждения и от поперечного воздействия мостовых кранов; подкрановая стойка работает как центрально-сжатая от действия только вертикального давления мостовых кранов.

Расчет внецентренно сжатых колонн производят с учетом их работы в системе поперечного каркаса здания, поэтому расчетные усилия в колоннах определяют с помощью ЭВМ, позволяющих учитывать различные комбинации усилий в элементах каркаса.

Гибкость внецентренно сжатых колонн назначается аналогично центрально-сжатым колоннам. После определения расчетных продольной силы и изгибающего момента производят расчет сечений по формулам.

3. Расчет конструирования внецетренносжатого стержня

Дано:

Расчетные длины:

Материал сталь Ст. 3

Решение:

Сплошно-ступенчатое сечение

1) ц=0,5

2) Находим требуемую площадь сечения:

3) Около половины площади сечения на стенку. Сечение принимаем со стенкой размерами

. Это отношение является предельным для центрально сжатых стержней, но для внецентренно сжатых стержней это отношение должно быть меньше предельного

На каждый из поясов остается площадь по:

С учетом перераспределения площадей принимаем пояса размерами мм

Для данного сечения имеем:

Стержень внецентренно сжатой колонны должен быть проверен на прочность и устойчивость в обеих плоскостях.

Определим эксцентриситет:

Вычислим момент сопротивления при изгибе:

Wx= 57760/(60/2-3,7) =2196 см⁴

Проверяем устойчивость плоскости действия момента:

²

Проверяем устойчивость в плоскости действия момента:

⁴

Гибкость лy находят по формуле:

ц=0,792

b/д=0, 5250/8=15,616,5

где 16,5 - значение (b/д предельного) при л=75 , найденное по справочным таблицам, b/д=0,5250/8=15,616,5

для стенки -

Моменты сопротивления крайних волокон и напряжение в них:

²

=100(Кз/у)^1?2=100v (2,33/1,91)=110,44>75

В приведенном примере отношение площадей поясов составляет 20/32=0,6

Изменение отношения площадей поясов (в определенных пределах) сравнительно мало влияет на устойчивость стержня. Это видно из приведенного далее расчета.

Пусть отношение площадей поясов уменьшено вдвое и составляет: 12/40,8=0,3

Тогда площадь сечения составляет:

Ус=(40,8Ч30,5)Ч(12Ч30,4)/100,8=8,7см

Проверяем устойчивость из плоскости действия момента:

⁴

Проверяем соблюдение конструктивных требований

Отношение выступающих частей полок к толщинам 75/8 10 и 170/1214, что меньше предельных.

Моменты сопротивления крайних волокон стенки и напряжения в них:

=100(Кз/у)^1?2=100v(2,76/1,75)=125>75

4. Сквозное двухветвевое сечение

Проверяем устойчивость в плоскости действия момента:

Jx

пр =(+27Ч75,4/(2Ч6,13)) =47

Проверяем устойчивость отдельных ветвей, для этого сначала находим усилия:

Свободная длина ветви при угле наклона раскоса составляет .

Для первой ветви:

Для второй ветви:

Проверяем раскос:

; (лпр=150- табличные значения для варианта связей между колоннами или же подкрановых балок)

5. Сквозное четырехветвевое сечение

Сечение принимаем , более развитое, чем ветвевое и меньшей площади. Состоит из двух уголков размерами

Соединительная решетка выполнена из уголков размерами . Ширина решетки 800 мм.

Проверяем устойчивость в плоскости действия момента:

При

Проверка усилий приходится на пару ветвей из двух уголков размерами мм и двух уголков размерами мм

Для ветвей из уголков

Для ветвей из уголков 90х8 мм:

Проверяем устойчивость раскосов:

Сравнение вариантов:

Вариант первый:

Площадь поперечного сечения А=100

Увеличение площади от постановки каждые 3м парных ребер жесткости размерами составляет:

Площадь приведена к общей затрате металла:

Вариант второй:

Площадь поперечного сечения:

А

Решетка из уголков размерами 65х5 мм дает дополнительно:

Поставим через каждые 3 м диафрагмы размерами добавляют:

Вариант третий:

Решетка из уголков размерами мм дает дополнительно:

Поставленные через каждые 3 м диафрагмами размерами мм добавляют:

Площадь, приведенная к обще затрате металла:

Таблица для сравнения вариантов

Вариант	Приведенная площадь	см4	см4
		%		Ветвь1	Ветвь2		Ветвь1	Ветвь2
1	105,3	100	120000	3780	2080	2400
2	107,7	106	55900	4150	5010	2070	670	2100
3	114,5	112	163000	2500	35400	2100	800	2060

Используемая литература

1. Овчинников В.В. Расчет и проектирование сварных конструкций. Учебник- М.: Издательский центр «Академия», 2010.

2. Овчинников В.В. Расчет и проектирование сварных конструкций. Практикум и курсовое проектирование - М.: Издательский центр «Академия», 2010.

3. Блинов А.Н., Лялин К.В. Сварные конструкции. - М.: Стройиздат, 1990

4. Серенко А.Н., Крумбольдт М.Н., Багрянский К.В. Расчет сварных соединений и конструкций - Киев, 1997

5. Муханов К.К. Металлические конструкции - М.: Стройиздат, 1995

6. Майзель В.С., Навроцкий Д.И. Сварные конструкции - М.: «Машиностроение», 1993

7. Михайлов А.М. Сварные конструкции - М.: Стройиздат, 1993

8. Михайлов А.М. Основы расчета элементов строительных конструкций в примерах - М.: Высш. Шк. 1980

9. Николаев Г.А., Винокуров В.А. Сварные конструкции. Расчёт и проектирование. - М.: Высшая школа, 1999

Размещено на Allbest.ru

...